JP2020201099A - 距離測定装置、距離測定システム、距離測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】対象空間を測定光により走査する。【解決手段】距離測定装置１は、発光制御部１１と、受光制御部１２と、振動制御部１３と、距離取得部１４と、を備える。発光制御部１１は、対象空間Ｓ１に向けて測定光Ｗ１を出力する発光部２から測定光Ｗ１を出力させるタイミングを制御する。受光制御部１２は、受光部３の動作を制御する。受光部３は、対象空間Ｓ１に存在する対象物２００で反射した測定光Ｗ１を受光するための複数の画素セル３０を有する。振動制御部１３は、振動付与部５の動作を制御する。振動付与部５は、光学素子４を振動させる。光学素子４は、発光部２から対象物２００までの測定光Ｗ１の光路上に配置されている。距離取得部１４は、発光部２が測定光Ｗ１を出力してから受光部３が測定光Ｗ１を受光するまでの時間に基づいて、対象物２００までの距離を求める。【選択図】図２

Description

本開示は距離測定装置、距離測定システム、距離測定方法に関し、より詳細には、対象物までの距離を求める距離測定装置、距離測定システム、距離測定方法に関する。

特許文献１には、物体検出装置が開示されている。

物体検出装置は、照射手段と、受光手段と、検出手段と、を含む。照射手段は、スリット光を、物体検出範囲内でスリット光の長手方向と交差する方向に沿って走査させる。受光手段は、物体検出範囲内に存在する物体で反射されたスリット光が照射される受光面に、照射手段によるスリット光の走査に伴うスリット光の照射位置の移動方向と交差する方向に沿って複数の受光素子が配列されている。検出手段は、物体で反射されたスリット光が受光手段の何れの受光素子で受光されたかに基づいて、スリット光の長手方向に沿った物体の位置を検出する。

照射手段は、レーザダイオードからなるレーザ光源と、レーザ光源から射出されたレーザ光をスリット状の平行光へ整形するビーム整形器とを内蔵した光源部を備えている。光源部は、スリット状のレーザ光を間欠的に射出する。照射手段は、ガルバノミラーを備える。ガルバノミラーは、モータと、裏面がモータの回転軸の側面に取付けられた平面ミラーとを備える。ガルバノミラー駆動回路は、モータの回転軸が一定の角度範囲内で往復回動するようにモータを駆動することで、モータの回転軸に取付けられた平面ミラーを、一定の角度範囲内で往復揺動させる。これにより、ガルバノミラー（の平面ミラー）で反射されたスリット状のレーザ光が、ガルバノミラーのレーザ光射出側に配置された投光レンズを介して、物体検出装置の前方側をおよそ水平方向に沿って走査する。

特開２００９−１５６８１０号公報

特許文献１に記載されている物体検出装置のような距離測定装置の分野で、距離測定の測定対象となる対象空間を測定光により走査する新たな方法が望まれている。

本開示は、対象空間を測定光により走査する新たな方法を提供可能な距離測定装置、距離測定システム、距離測定方法を提供することを目的とする。

本開示の一態様に係る距離測定装置は、発光制御部と、受光制御部と、振動制御部と、距離取得部と、を備える。前記発光制御部は、対象空間に向けて測定光を出力する発光部から前記測定光を出力させるタイミングを制御する。前記受光制御部は、前記対象空間に存在する対象物で反射した前記測定光を受光するための複数の画素セルを有する受光部の動作を制御する。前記振動制御部は、前記発光部から前記対象物までの前記測定光の光路上に配置されている光学素子を振動させる振動付与部の動作を制御する。前記距離取得部は、前記発光部が前記測定光を出力してから前記受光部が前記測定光を受光するまでの時間に基づいて、前記対象物までの距離を求める。

本開示の一態様に係る距離測定システムは、前記距離測定装置と、前記発光部と、前記受光部と、前記光学素子と、前記振動付与部と、を備える。

本開示の一態様に係る距離測定方法は、発光制御ステップと、受光制御ステップと、振動制御ステップと、距離取得ステップと、を含む。前記発光制御ステップは、測定光を出力する発光部から測定光を出力させるタイミングを制御することを含む。前記受光制御ステップは、対象物で反射した前記測定光を受光するための複数の画素セルを有する受光部の動作を制御することを含む。前記振動制御ステップは、前記発光部から前記対象物までの前記測定光の光路上に配置されている光学素子を振動させる振動付与部の動作を制御することを含む。前記距離取得ステップは、前記発光部が前記測定光を出力してから前記受光部が前記測定光を受光するまでの時間に基づいて、前記対象物までの距離を求めることを含む。

本開示は、対象空間を測定光により走査する新たな方法を提供可能である。

図１は、一実施形態の距離測定システムの使用状態を示す説明図である。 図２は、同上の距離測定システムのブロック図である。 図３は、同上の距離測定システムに含まれる振動付与部の概略を示す説明図である。 図４は、同上の距離測定システムから出力される測定光の説明図である。 図５は、同上の距離測定システムに含まれる画素セルを示す説明図である。 図６は、同上の距離測定システムにおける動作説明図である。 図７は、同上の距離測定システムの動作を説明するためのタイムチャート図である。 図８は、一変形例の距離測定システムの受光部を示す説明図である。

以下、本開示の実施形態に係る距離測定システム１００について、図面を用いて説明する。ただし、下記の実施形態は、本開示の様々な実施形態の一部に過ぎない。下記の実施形態は、本開示の目的を達成できれば、設計等に応じて種々の変更が可能である。

（１）実施形態
（１．１）概要
本実施形態の距離測定システム１００は、図１、図２に示すように、距離測定装置１と、発光部２と、受光部３と、光学素子４と、振動付与部５と、を備えている。距離測定システム１００は、TOF法（TOF: Time Of Flight）を利用して対象物２００までの距離を測定する。距離測定システム１００は、例えば、自動車に搭載され障害物を検知する物体認識システム、物体（人）等を検知する監視カメラ、セキュリティカメラ等に利用することができる。

発光部２は、対象空間Ｓ１に向けて測定光Ｗ１を出力する。受光部３は、複数の画素セル３０を有する。画素セル３０は、対象空間Ｓ１に存在する対象物２００で反射した測定光Ｗ１を、受光する。光学素子４は、発光部２から対象物２００までの測定光Ｗ１の光路ＬＰ１上に配置されている。振動付与部５は、光学素子４を振動させる。

図２に示すように、距離測定装置１は、測定制御部１０と、距離取得部１４と、を備えている。測定制御部１０は、発光制御部１１と、受光制御部１２と、振動制御部１３と、を備えている。

発光制御部１１は、発光部２に接続されている。発光制御部１１は、発光部２の発光制御を行う。発光制御部１１は、発光部２から測定光Ｗ１を出力させるタイミングを制御する。受光制御部１２は、受光部３に接続されている。受光制御部１２は、受光部３の受光制御を行う。振動制御部１３は、振動付与部５に接続されている。振動制御部１３は、振動付与部５の振動制御を行う。距離取得部１４は、発光部２が測定光Ｗ１を出力してから受光部３が測定光Ｗ１を受光するまでの時間に基づいて、対象物２００までの距離を求める。

本実施形態の距離測定装置１及び距離測定システム１００によれば、測定光Ｗ１の光路ＬＰ１上に配置されている光学素子４が振動付与部５によって振動されることで、測定光Ｗ１が、光路ＬＰ１と交差する面Ｐ１００内で振動する。そのため、測定光Ｗ１の距離測定システム１００からの出射方向が変わる。すなわち、本実施形態の距離測定装置１及び距離測定システム１００によれば、光学素子４を振動させることで、測定光Ｗ１によって対象空間Ｓ１を走査することが可能となる。なお、図１には、発光部２から出力される測定光Ｗ１の向きを実線の矢印Ａ１で、測定光Ｗ１の振動方向を、実線の矢印Ａ２，Ａ３で示してある。

（１．２）詳細
本実施形態の距離測定装置１及びそれを備える距離測定システム１００について、図１〜図７を参照して、より詳細に説明する。

（１．２．１）構成
図２に示すように、距離測定システム１００は、距離測定装置１と、発光部２と、受光部３と、光学素子４と、振動付与部５と、を備えている。

発光部２は、光源２１を備えており、光源２１から対象空間Ｓ１に向けてパルス状の測定光Ｗ１（パルス光）を出力するように構成されている。測定光Ｗ１は、単色光であり、パルス幅が比較的短く、ピーク強度が比較的高いことが好ましい。また、距離測定システム１００の市街地等での利用を考慮して、測定光Ｗ１の波長は、人間の視感度が低く、太陽光等の外乱光の影響を受けにくい近赤外帯の波長域であることが好ましい。本実施形態では、光源２１は、例えばレーザダイオードで構成されており、パルスレーザを出力する。光源２１が出力するパルスレーザの強度は、日本国におけるレーザ製品の安全基準（JIS C 6802）のクラス１又はクラス２の基準を満たしている。図２では、測定光Ｗ１を、仮想線で概念的に記載している。

発光部２は、距離測定装置１が有する測定制御部１０（発光制御部１１）によって、発光制御される。

受光部３は、複数の画素セル３０（複数の受光素子）を有するイメージセンサ３１を備えている。受光部３は、発光部２から出力され、対象空間Ｓ１に存在する対象物２００によって反射された反射光である測定光Ｗ１を、受光するように構成されている。

複数の画素セル３０は、２次元アレイ状に配列されている。複数の画素セル３０は、ここでは、マトリクス状に配置されている。ただし、これに限られず、複数の画素セル３０はハニカムアレイ状等の他のアレイ状に配置されていてもよい。

画素セル３０は、露光している間のみ、光を受光することができる。画素セル３０は、ここではフォトダイオードを備える。画素セル３０は、受光した測定光Ｗ１を電気信号（以下、「画素信号」ともいう）に変換する。

受光部３は、画素信号を距離測定装置１に出力する画素出力部３２を更に備えている。本実施形態では、受光部３が複数の画素セル３０を有しているので、画素出力部３２は、複数の画素セル３０に対応した複数の画素信号を出力し得る。画素信号の信号レベルは、画素セル３０が受光した測定光Ｗ１の受光量に応じた値である。以下、画素信号の信号レベルを「画素値」ともいう。

なお、画素セル３０は、アバランシェフォトダイオード（APD:Avalanche Photo Diode）を備えていてもよい。画素セル３０がアバランシェフォトダイオードを備える場合、画素信号の信号レベルは、画素セル３０が受光した光のパルス数（光子数）に相当し得る。

受光部３は、距離測定装置１が有する測定制御部１０（受光制御部１２）によって、受光制御される。

受光部３は、レンズ等の光学系を更に備えていてもよい。また、受光部３は、特定の周波数の光を遮断又は透過させるフィルターを更に備えていてもよい。この場合、距離測定システム１００は、光の周波数に関する情報の取得が可能となる。

光学素子４は、ここでは回折格子４１である。光学素子４は、ここでは、測定光Ｗ１を透過させる透過型の光学素子である。すなわち、光学素子４は、透過型の回折格子４１である。

図１に示すように、回折格子４１は、発光部２から出力される測定光Ｗ１の光路ＬＰ１上に配置される。回折格子４１は、発光部２から対象物２００までの測定光Ｗ１の光路ＬＰ１上（すなわち、発光部２から出力されて対象物２００に当たる前の測定光Ｗ１の光路ＬＰ１上）に、配置されている。

回折格子４１は、ここでは２次元回折格子である。回折格子４１は、例えば、ガラス基板等の透明な矩形板状の基板の一面において、等間隔のマトリクス状の格子点に、それぞれ凹所を形成してなる。回折格子４１は、入射面に入射した測定光Ｗ１を、入射面とは反対の出射面から、複数の特定の角度方向に分散（回折）して出射させる。回折格子４１から出射される測定光Ｗ１（回折光）の方向は、回折格子４１の格子間隔、回折格子４１への入射光の入射角度、測定光Ｗ１の波長等で決まる。

振動付与部５は、回折格子４１（光学素子４）を振動させる。振動付与部５は、回折格子４１を、光路ＬＰ１と交差する面内で振動させる。ここでは、振動付与部５は、回折格子４１を光路ＬＰ１と交差する面内で、互いに交差する２方向（図４の上下方向及び左右方向）に沿って振動させる。

振動付与部５は、図３に示すように、少なくとも１つ（ここでは４つ）の弾性部５１と、少なくとも１つ（ここでは２つの）のアクチュエータ５２と、を備えている。

弾性部５１は、例えばコイル状のばねを備えている。ばねは、一端が回折格子４１（光学素子４）の基板の側面に固定され、他端が回折格子４１を収容する筐体の壁面に固定されている。４つのばねは、回折格子４１の４つの側面にそれぞれ固定されている。回折格子４１は、ばねの伸縮方向に沿った面内（図３の紙面に平行な面内）で振動可能となるように、４つのばねにより保持されている。

アクチュエータ５２は、弾性部５１の振動方向に沿った向きの力を、回折格子４１に与える。２つのアクチュエータ５２は、回折格子４１の４つの側面のうちの隣り合う２つの側面に、それぞれ力を与える。これにより、回折格子４１が振動する。

アクチュエータ５２は、例えば、印加された電圧を力に変換するピエゾ式のアクチュエータである。ただし、これに限られず、アクチュエータ５２は、静電式のアクチュエータ、ボイスコイル等の電磁誘導式のアクチュエータ等であってもよい。

振動付与部５（アクチュエータ５２）は、距離測定装置１が有する測定制御部１０（振動制御部１３）によって、振動制御される。

図２に示すように、距離測定装置１は、測定制御部１０と、距離取得部１４と、を備えている。距離測定装置１は、例えば、プロセッサ及びメモリを有するマイクロコンピュータで構成されている。つまり、距離測定装置１は、プロセッサ及びメモリを有するコンピュータシステムで実現されている。そして、距離測定装置１は、プロセッサが適宜のプログラムを実行することにより、測定制御部１０及び距離取得部１４として機能する。プログラムは、メモリに予め記録されていてもよいし、インターネット等の電気通信回線を通じて、又はメモリカード等の非一時的な記録媒体に記録されて提供されてもよい。

測定制御部１０は、発光制御部１１と、受光制御部１２と、振動制御部１３と、を備えている。

発光制御部１１は、発光部２の発光制御において、光源２１から測定光Ｗ１を出力させるタイミング（発光タイミング）、光源２１から出力される測定光Ｗ１のパルス幅（発光時間）等を制御する。

受光制御部１２は、受光部３の受光制御において、複数の画素セル３０を露光するタイミング（露光タイミング）、露光幅（露光時間）等を制御する。

振動制御部１３は、振動付与部５の振動制御において、アクチュエータ５２を振動させるタイミング、周波数（周期）等を制御する。

振動制御部１３は、振動付与部５により回折格子４１を面内で振動させることで、回折格子４１から出射される測定光Ｗ１（回折光）を、光路ＬＰ１と交差する面Ｐ１００内で振動させる。言い換えれば、振動制御部１３は、光路ＬＰ１と交差する面Ｐ１００内で測定光Ｗ１が２次元的に振動するように、振動付与部５により光学素子４（回折格子４１）を振動させる。

本実施形態では、振動制御部１３は、回折格子４１から出射される測定光Ｗ１の軌跡が、光路ＬＰ１と交差する面Ｐ１００内で略∞の字を描くように、振動付与部５により回折格子４１を振動させる。例えば、回折格子４１によって分散（回折）された測定光Ｗ１のうちの０次光に着目した場合、振動制御部１３は、光路ＬＰ１と交差する面Ｐ１００内で０次光の軌跡が略∞の字を描くように、振動付与部５により回折格子４１を振動させる（図４参照）。例えば振動制御部１３は、回折格子４１が水平方向に１回振動する間に鉛直方向に２回振動するように、振動付与部５を制御すればよい。図４では、測定光Ｗ１の軌跡を、実線の矢印で示してある。

振動付与部５が回折格子４１を振動させる周波数（振動周波数）は、例えば数１００Ｈｚ〜数ｋＨｚ程度である。ここでの振動周波数とは、回折格子４１の２次元的な振動の周波数（ここでは、回折格子４１の水平方向の振動の振動数に等しく、鉛直方向の振動の振動数の半分）を意味する。ここでは、回折格子４１が１回、２次元的に振動する間に、測定光Ｗ１は、点Ｐ１→Ｐ２→Ｐ３→Ｐ４→Ｐ５→Ｐ６→Ｐ７→Ｐ８→Ｐ１の順に移動する（図４参照）。

本実施形態の距離測定システム１００では、測定光Ｗ１はパルス光である。また、距離測定装置１は、測定光Ｗ１（パルス光）の発光周期が、振動付与部５が光学素子４を振動させる振動周期（上記の振動周波数の逆数）よりも短くなるように、発光部２及び振動付与部５を制御する。そのため、測定光Ｗ１は、∞の字の中の複数の点で離散的に発光することとなる。例えば、回折格子４１の２次元的な振動の一周期の間に、測定光Ｗ１が８回発光する（パルス光を出力する）ように発光制御部１１が発光部２を制御する場合、測定光Ｗ１は、図４の点Ｐ１〜Ｐ８にそれぞれ相当する位置で順に、発光時間だけ照射されることとなる。

このように、回折格子４１を振動させることで、回折格子４１から出射される測定光Ｗ１を、光路ＬＰ１と交差する面Ｐ１００内で振動させることができる。つまり、回折格子４１を振動させることで、距離測定システム１００からの測定光Ｗ１の出射方向を変更することが可能となる。測定光Ｗ１の出射方向を変更することで、対象空間Ｓ１における異なる方向（点Ｐ１〜点Ｐ８にそれぞれ対応する方向）において、距離測定システム１００から対象物２００までの距離を測定することが可能となる。

測定光Ｗ１の出射方向が変わると、受光部３の複数の画素セル３０のうちで反射光を受光し得る画素セル３０も、変わる。すなわち、出射方向が互いに異なる測定光Ｗ１は、複数の画素セル３０のうちの異なる画素セル３０によって、受光されることとなる。例えば、光路ＬＰ１と交差する面Ｐ１００において点Ｐ１を通る測定光Ｗ１は、図５に示す２つの画素セル３０１によって、受光され得る。同様に、点Ｐ２を通る測定光Ｗ１は画素セル３０２によって、点Ｐ３を通る測定光Ｗ１は画素セル３０３によって、点Ｐ４を通る測定光Ｗ１は画素セル３０４によって、点Ｐ５を通る測定光Ｗ１は画素セル３０１によって、点Ｐ６を通る測定光Ｗ１は画素セル３０６によって、点Ｐ７を通る測定光Ｗ１は画素セル３０７によって、点Ｐ８を通る測定光Ｗ１は画素セル３０８によって、それぞれ受光され得る。図５では、画素セル３０１〜３０４，３０６〜３０８を、それぞれドットハッチングで示してある。

距離取得部１４は、発光制御部１１から、発光部２が測定光Ｗ１を出力させるタイミングに関する情報を取得する。距離取得部１４は、受光制御部１２から、受光部３の画素セル３０から受け取った画素信号に関する情報を取得する。距離取得部１４は、振動制御部１３から、振動付与部５の振動数及び振動タイミングに関する情報を取得する。距離取得部１４は、発光制御部１１から受け取った情報と、受光制御部１２から受け取った情報と、振動制御部１３から受け取った情報とに基づいて、距離測定システム１００から対象物２００までの距離を求める。

距離取得部１４は、発光部２が測定光Ｗ１を出力してから受光部３が測定光Ｗ１を受光するまでの時間に基づいて、対象物２００までの距離を求める。距離取得部１４を備える距離測定システム１００が距離を求める具体的な方法については、「（１．２．２）動作」の欄で説明する。

（１．２．２）動作
次に、距離測定システム１００が、対象空間Ｓ１に存在する対象物２００までの距離を求める動作の具体例について、図６、図７を参照して説明する。

図６に示すように、距離測定システム１００は、１回の距離測定に対応する期間（以下、「フレームＦ１」という）を、ｋ個（ｋは、２以上の整数）のサブ期間を含むように分割する。ここでは、距離測定装置１は、フレームＦ１を、互いに等しい時間長さを有するｋ個のサブ期間（第１サブ期間Ｔｔ１〜第ｋサブ期間Ｔｔｋ）を含むように分割する。各サブ期間の後には、待機時間が続く。

本実施形態の距離測定システム１００では、フレームＦ１の長さ（時間的な長さ）は、回折格子４１の振動周期と等しく設定される。つまり、１回のフレームＦ１の間に、測定光Ｗ１が、（２次元的に）１周期分の軌跡を描く。例えば、回折格子４１の振動周波数が１ｋＨｚの場合、フレームＦ１の長さは１ｍｓである。

したがって、フレームＦ１をｋ個のサブ期間を含むように分割することは、測定光Ｗ１の軌跡（図４参照）をｋ個の部分に分割することに相当する。ここでは、距離測定装置１は、フレームＦ１を、第１サブ期間Ｔｔ１〜第８サブ期間Ｔｔ８の８個のサブ期間を含むように分割する。第１サブ期間Ｔｔ１は、ここでは、回折格子４１から出射される測定光Ｗ１が、面Ｐ１００内の点Ｐ１（或いはその近傍）を通る期間に相当する。同様に、第２サブ期間Ｔｔ２〜第８サブ期間Ｔｔ８は、回折格子４１から出射される測定光Ｗ１が、面Ｐ１００内の点Ｐ２〜Ｐ８（或いはその近傍）を通る期間に、それぞれ相当する。

図７に示すように、距離測定装置１は、各サブ期間を、ｎ個（ｎは、２以上の整数）の測定期間が含まれるように、更に分割する。つまり、距離測定装置１は、１つのサブ期間を、第１測定期間Ｔｍ１〜第ｎ測定期間Ｔｍｎのｎ個の測定期間が含まれるように分割する。例えば、各測定期間の長さは等しく設定される。

また、図７に示すように、距離測定装置１は、各測定期間を、ｎ個の分割期間に更に分割する。ここでは、距離測定装置１は、各測定期間を、第１分割期間Ｔｓ１〜第ｎ分割期間Ｔｓｎのｎ個の分割期間に等分する。

そして、距離測定装置１の測定制御部１０は、１つのサブ期間において、各測定期間の最初の分割期間（第１分割期間Ｔｓ１）で、発光部２から測定光Ｗ１（パルス光）を出力させる。

また、距離測定装置１の測定制御部１０は、各測定期間において、第１分割期間Ｔｓ１〜第ｎ分割期間Ｔｓｎのいずれかで、受光部３の画素セル３０を露光させる。測定制御部１０は、第１測定期間Ｔｍ１〜第ｎ測定期間Ｔｍｎにおいて、画素セル３０を露光させるタイミングを、第１分割期間Ｔｓ１〜第ｎ分割期間Ｔｓｎまで１つずつ順次ずらす。

要するに、発光制御部１１は、発光部２から測定光Ｗ１を複数回出力させる。受光制御部１２は、複数回出力される測定光Ｗ１に対して、受光部３を、発光部２からの測定光Ｗ１の出力の開始時点からの経過時間が互いに異なるタイミングで露光させる。

より詳細には、測定制御部１０は、第１測定期間Ｔｍ１では第１分割期間Ｔｓ１で画素セル３０を露光させ、第２測定期間Ｔｍ２では第２分割期間Ｔｓ２で画素セル３０を露光させ、第ｎ測定期間Ｔｍｎでは第ｎ分割期間Ｔｓｎで画素セル３０を露光させるというように、画素セル３０の露光タイミングを制御する（図７参照）。そのため、１つのサブ期間で見ると、画素セル３０は、第１分割期間Ｔｓ１〜第ｎ分割期間Ｔｓｎの全てが、いずれかの測定期間において露光されることとなる。

受光部３の画素セル３０は、露光している期間のみ、対象物２００で反射された反射光を検知することができる。発光部２が発光してから受光部３に反射光が到達するまでの時間は、距離測定システム１００から対象物２００までの距離に応じて変化する。距離測定システム１００から対象物２００までの距離をｄ、光の速度をｃとすると、発光部２が発光してから時間ｔ＝２ｄ／ｃ後に、反射光が受光部３に到達する。したがって、距離測定装置１は、いずれの分割期間で受光部３の画素セル３０が反射光を受光したか、言い換えれば、いずれの測定期間で受光部３の画素セル３０が反射光を受光したか、に基づいて、このサブ期間での測定光Ｗ１の出射方向における対象物２００までの距離を、算出することが可能となる。

例えば図７の例では、各測定期間において第２分割期間Ｔｓ２と第３分割期間Ｔｓ３とに跨がる時間に、対象物２００からの反射光が到達している。この場合、第１分割期間Ｔｓ１で画素セル３０が露光される第１測定期間Ｔｍ１では、受光部３は反射光の存在を検知しない。一方、第２分割期間Ｔｓ２で画素セル３０が露光される第２測定期間Ｔｍ２、及び第３分割期間Ｔｓ３で画素セル３０が露光される第３測定期間Ｔｍ３では、反射光が受光部３に到達するタイミングで画素セル３０が露光されるので、受光部３は反射光を検知することとなる。これにより、距離測定装置１（距離取得部１４）は、発光部２が発光を開始してから第２分割期間Ｔｓ２が開始するまでの期間に相当する距離（ｃ×Ｔｓ／２）と、発光部２が発光を開始してから第３分割期間Ｔｓ３が終了するまでの期間に相当する距離（３×ｃ×Ｔｓ／２）と、の間の距離範囲に、対象物２００が存在する、と判定することができる。ここで、上記の「ｃ」は光速を示し、「Ｔｓ」は分割期間の長さを示す。

上述の説明から明らかなように、距離測定システム１００の測定可能距離（距離測定システム１００が距離測定を可能な距離の上限）は、ｎ×Ｔｓ×ｃ／２で表される。例えば、分割期間の長さＴｓが１０ｎｓ、測定期間の数ｎが１０の場合、測定可能距離は１５ｍである。また、距離測定装置１による距離の分解能は、Ｔｓ×ｃ／２で表される。例えば、分割期間の長さＴｓが１０ｎｓの場合、距離の分解能は１．５ｍである。サブ期間の長さＴｔは、読み出し期間（後述）を無視すれば、ｎ×Ｔｓ×ｎで表される。例えば、分割期間の長さＴｓが１０ｎｓ、測定期間の数（＝分割期間の数）ｎが１０の場合、読み出し期間を無視すれば、サブ期間の長さＴｔは１０μｓである。

各サブ期間において、複数の測定期間の各々の後には、読み出し期間がある。読み出し期間は、イメージセンサ３１が、複数の画素セル３０から画素信号を取得（以下、「画素値を読み出す」ともいう）し、画素出力部３２が、取得した画素信号を距離測定装置１へ出力するための期間である。

ここでは、画素出力部３２は、複数の画素セル３０のうちで、現在のサブ期間に対応する画素セル３０の画素信号（画素値）のみを、距離測定装置１（受光制御部１２）へと出力する。すなわち、点Ｐ１（図４参照）に測定光Ｗ１が照射される第１サブ期間Ｔｔ１では、画素出力部３２は、点Ｐ１に対応する画素セル３０１（図５参照）の画素信号のみを、距離測定装置１へと出力する。また、点Ｐ２（図４参照）に測定光Ｗ１が照射される第２サブ期間Ｔｔ２では、画素出力部３２は、点Ｐ２に対応する画素セル３０２（図５参照）の画素信号のみを、距離測定装置１へと出力する。つまり、受光制御部１２は、振動周期に応じて振動する光学素子４の振動位置に応じて、複数の画素セル３０のうちで画素信号を出力させる画素セル３０を変更する。例えば、第１サブ期間Ｔｔ１においては、光学素子４の振動位置は、点Ｐ１に対応する位置である。このように、画素信号を出力させる画素セル３０を限定することで、受光部３から距離測定装置１へ送信される信号のデータ量を小さくすることができる。

距離取得部１４は、各サブ期間において受光部３の画素セル３０から出力される画素信号に基づいて、このサブ期間に対応する測定光Ｗ１の出射方向において、対象空間Ｓ１に存在する対象物２００までの距離を求める。

このようにして、距離取得部１４は、第１サブ期間Ｔｔ１においては、点Ｐ１を通る測定光Ｗ１の出射方向に存在する対象物２００までの距離を求め、第２サブ期間Ｔｔ２においては、点Ｐ２を通る測定光Ｗ１の出射方向に存在する対象物２００までの距離を求める。すなわち、距離測定システム１００は、複数の出射方向において、対象空間Ｓ１に存在する対象物２００までの距離を求めることができる。

複数（ｋ個）のサブ期間のすべてについて、対象物２００までの距離が求まると、距離取得部１４は、求めたｋ個の距離に基づいて、距離画像を生成する。距離画像は、例えば、各画素の画素値が、対象空間Ｓ１に存在する対象物２００までの距離に相当する画像である。本実施形態では、距離取得部１４は、サブ期間の数（８個）の画素を少なくとも含む距離画像を、生成可能である。

なお、上述の説明では、回折格子４１による測定光Ｗ１の０次光に着目して説明したが、回折格子４１からは、測定光Ｗ１のｍ次光（ｍは１以上の整数）も出射される。そのため、測定光Ｗ１のｍ次光を用いて、０次光の場合と同様の距離の測定を行うことが可能である。すなわち、測定光Ｗ１を回折格子４１で回折させることで、複数の干渉縞に相当する複数の光を生成することができ、複数の光によって、空間内の複数の位置までの距離を測定することが可能となる。要するに、距離測定システム１００によれば、測定光Ｗ１の回折光が存在する範囲内で、対象空間Ｓ１に存在する対象物２００までの距離を測定することが可能である。

距離測定システム１００は、０次光を用いて得られた距離画像とｍ次光を用いて得られた距離画像とを合成した合成距離画像を、生成してもよい。０次光の反射光を受光するための画素セル３０と、ｍ次光の反射光を受光するための画素セル３０とは、少なくとも一部が重複していてもよいし、別々の画素セル３０であってもよい。

（２）変形例
上述の実施形態は、本開示の様々な実施形態の一つに過ぎない。上述の実施形態は、本開示の目的を達成できれば、設計等に応じて種々の変更が可能である。上記実施形態の変形例を列挙する。以下に説明する変形例は、適宜組み合わせて適用可能である。なお、以下では、上記実施形態を「基本例」と呼ぶこともある。また、距離測定システム１００の距離測定装置１と同様の機能は、距離測定方法、（コンピュータ）プログラム、又はプログラムを記録した非一時的記録媒体等で具現化されてもよい。

一態様に係る距離測定方法は、発光制御ステップと、受光制御ステップと、振動制御ステップと、距離取得ステップと、を含む。発光制御ステップは、測定光Ｗ１を出力する発光部２から測定光Ｗ１を出力させるタイミングを制御することを含む。受光制御ステップは、対象物２００で反射した測定光Ｗ１を受光するための複数の画素セル３０を有する受光部３の動作を制御することを含む。振動制御ステップは、発光部２から対象物２００までの測定光Ｗ１の光路ＬＰ１上に配置されている光学素子４を振動させる振動付与部５の動作を制御することを含む。距離取得ステップは、発光部２が測定光Ｗ１を出力してから受光部３が測定光Ｗ１を受光するまでの時間から、対象物２００までの距離を求めることを含む。

本開示における距離測定システム１００は、例えば、距離測定装置１の測定制御部１０及び距離取得部１４等に、コンピュータシステムを含んでいる。コンピュータシステムは、ハードウェアとしてのプロセッサ及びメモリを主構成とする。コンピュータシステムのメモリに記録されたプログラムをプロセッサが実行することによって、本開示における測定制御部１０及び距離取得部１４としての機能が実現される。プログラムは、コンピュータシステムのメモリに予め記録されてもよく、電気通信回線を通じて提供されてもよく、コンピュータシステムで読み取り可能なメモリカード、光学ディスク、ハードディスクドライブ等の非一時的記録媒体に記録されて提供されてもよい。コンピュータシステムのプロセッサは、半導体集積回路（ＩＣ）又は大規模集積回路（ＬＳＩ）を含む１ないし複数の電子回路で構成される。ここでいうＩＣ又はＬＳＩ等の集積回路は、集積の度合いによって呼び方が異なっており、システムＬＳＩ、ＶＬＳＩ（Very Large Scale Integration）、又はＵＬＳＩ（UltraLarge Scale Integration）と呼ばれる集積回路を含む。さらに、ＬＳＩの製造後にプログラムされる、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）、又はＬＳＩ内部の接合関係の再構成若しくはＬＳＩ内部の回路区画の再構成が可能な論理デバイスについても、プロセッサとして採用することができる。複数の電子回路は、１つのチップに集約されていてもよいし、複数のチップに分散して設けられていてもよい。複数のチップは、１つの装置に集約されていてもよいし、複数の装置に分散して設けられていてもよい。ここでいうコンピュータシステムは、１以上のプロセッサ及び１以上のメモリを有するマイクロコントローラを含む。したがって、マイクロコントローラについても、半導体集積回路又は大規模集積回路を含む１ないし複数の電子回路で構成される。

また、距離測定システム１００における複数の機能が、１つの筐体に集約されていることは距離測定システム１００に必須の構成ではない。距離測定システム１００の構成要素は、複数の筐体に分散して設けられていてもよい。さらに、距離取得部１４等、距離測定システム１００の少なくとも一部の機能は、例えば、サーバ装置及びクラウド（クラウドコンピューティング）等によって実現されてもよい。反対に、上述の実施形態のように、距離測定システム１００の全ての機能が、１つの筐体に集約されていてもよい。

一変形例において、図８に示すように、発光部２は、複数の光源２１を有していてもよい。複数の光源２１は、アレイ状に配置されていてもよく、特に、回折格子４１の格子点と同様のマトリクス状に配置されていてもよい。複数の光源２１の配置は、回折格子４１の格子点の配置に対して相似な配置であってもよい。隣り合う光源２１の間の間隔ｄ１は、回折格子４１の格子間隔と等しくてもよい。この場合、測定光Ｗ１の強度ムラ（面Ｐ１００内における、０次光、１次光等の複数の回折光の間で生じ得る強度ムラ）を低減することが可能となる。

基本例では、受光制御部１２は、光学素子４の振動位置に応じて、複数の画素セル３０のうちの対応する画素セル３０のみから画素信号を出力させていたが、これに限られない。一変形例において、受光制御部１２は、振動周期に応じて振動する光学素子４の振動位置によらず、複数の画素セル３０の全てから、それぞれ画素信号を受け取ってもよい。この場合、例えば、光学素子４の位置ずれ等によって、想定されている画素セル３０とは別の画素セル３０で反射光が受光された場合であっても、そのデータを利用することが可能となる。

一変形例において、イメージセンサ３１は、測定期間後の読み出し期間において、複数の画素セル３０の全てから画素値を読み出してもよいし、現在のサブ期間に対応する画素セル３０のみから画素値を読み出してもよい。

基本例の距離測定システム１００では、１つのサブ期間に着目した場合、光学素子４が１回振動する間に、測定光Ｗ１を出力（発光）し反射光を受光するという動作を発光と露光との時間差を変えながらｎ回行っていたが、これに限られない。一変形例において、各サブ期間に関して、測定光Ｗ１を出力し反射光を受光するという動作を、光学素子４の１回の振動周期において１回のみ行い、これを、発光と露光との時間差を変えながらｎ回の振動周期について行ってもよい。つまり、１回目の振動周期では、受光部３を第１分割期間Ｔｓ１に相当するタイミングで露光させ、２回目の振動周期では、受光部３を第２分割期間Ｔｓ２に相当するタイミングで露光させる、等としてもよい。このようにしても、対象空間Ｓ１に存在する対象物２００までの距離を測定することが可能である。

一変形例において、光学素子４は、測定光Ｗ１を拡散させる拡散板であってもよい。この場合でも、拡散板を振動させることで、距離測定システムからの測定光Ｗ１の出射方向が変わる。そのため、測定光Ｗ１によって対象空間Ｓ１を走査することが可能となる。

一変形例において、光学素子４は、測定光Ｗ１を反射する反射型の光学素子であってもよい。この場合でも、反射型の光学素子を振動させることで、距離測定システムからの測定光Ｗ１の出射方向が変わる。そのため、測定光Ｗ１によって対象空間Ｓ１を走査することが可能となる。例えば、光学素子４は、反射型の回折格子４１であってもよいし、反射型の拡散板であってもよい。

一変形例において、光学素子４及び振動付与部５は、シリコン基板又はガラス基板等に微細加工技術によって集積化されたＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）であってもよい。

光学素子４の振動は、基本例のものに限られない。例えば、振動制御部１３は、光学素子４が鉛直方向に１／２回振動する間に、光学素子４を水平方向に複数回振動させる等してもよい。なお、測定光Ｗ１の軌跡が、面Ｐ１００内における所定の領域を（隙間なく）埋めるように、測定光Ｗ１が走査されることが好ましい。

（３）まとめ
以上説明した実施形態及び変形例等から以下の態様が開示されている。

第１の態様に係る距離測定装置（１）は、発光制御部（１１）と、受光制御部（１２）と、振動制御部（１３）と、距離取得部（１４）と、を備える。発光制御部（１１）は、対象空間（Ｓ１）に向けて測定光（Ｗ１）を出力する発光部（２）から測定光（Ｗ１）を出力させるタイミングを制御する。受光制御部（１２）は、受光部（３）の動作を制御する。受光部（３）は、対象空間（Ｓ１）に存在する対象物（２００）で反射した測定光（Ｗ１）を受光するための複数の画素セル（３０）を有する。振動制御部（１３）は、振動付与部（５）の動作を制御する。振動付与部（５）は、光学素子（４）を振動させる。光学素子（４）は、発光部（２）から対象物（２００）までの測定光（Ｗ１）の光路（ＬＰ１）上に配置されている。距離取得部（１４）は、発光部（２）が測定光（Ｗ１）を出力してから受光部（３）が測定光（Ｗ１）を受光するまでの時間に基づいて、対象物（２００）までの距離を求める。

この態様によれば、振動付与部（５）が光学素子（４）を振動させることで、発光部（２）からの測定光（Ｗ１）の出力方向が振動する。そのため、測定光（Ｗ１）によって対象空間（Ｓ１）を走査することが可能となる。

第２の態様の距離測定装置（１）では、第１の態様において、発光部（２）は、パルス光を出力するよう構成される。距離測定装置（１）は、パルス光の発光周期が、振動付与部（５）が光学素子（４）を振動させる振動周期よりも短くなるように、発光部（２）及び振動付与部（５）を制御する。

この態様によれば、振動付与部（５）が光学素子（４）を一周期振動させる間に、少なくとも一回パルス光が出力される。つまり、振動付与部（５）が光学素子（４）を一周期振動させる間に、少なくとも一回の距離の測定を行うことができる。そのため、光学素子（４）の振動の一周期における少なくとも１つの振動位置で、距離の測定を行うことが可能となる。パルス光の発光周期は、振動周期の半分以下であってもよい。この場合、振動付与部（５）が光学素子（４）を一周期振動させる間に、２回以上パルス光が出力されるので、振動付与部（５）が光学素子（４）を一周期振動させる間に、複数回の距離の測定を行うことができる。

第３の態様の距離測定装置（１）では、第２の態様において、受光制御部（１２）は、複数の画素セル（３０）から画素信号を受け取るよう構成される。受光制御部（１２）は、振動周期に応じて振動する光学素子（４）の振動位置に応じて、複数の画素セル（３０）のうちで画素信号を出力させる画素セル（３０）を変更する。

この態様によれば、距離測定装置（１）は、複数の画素セル（３０）全てから画素信号を受け取るのではなく、光学素子（４）の振動位置に応じた画素セル（３０）のみから画素信号を受け取る。そのため、受光部（３）から距離測定装置（１）へ送信される信号のデータ量を小さくすることができる。

第４の態様の距離測定装置（１）では、第２の態様において、受光制御部（１２）は、複数の画素セル（３０）から画素信号を受け取るよう構成される。受光制御部（１２）は、振動周期に応じて振動する光学素子（４）の振動位置によらず、複数の画素セル（３０）の全てからそれぞれ画素信号を受け取る。

この態様によれば、例えば、光学素子（４）の位置ずれ等によって、想定されている画素セル（３０）とは別の画素セル（３０）で反射光が受光された場合であっても、そのデータを利用することが可能となる。

第５の態様の距離測定装置（１）では、第１〜第４のいずれか１つの態様において、光学素子（４）は、回折格子（４１）である。

この態様によれば、振動付与部（５）が回折格子（４１）を振動させることによって、測定光（Ｗ１）の進行方向を変えることが可能となる。また、測定光（Ｗ１）を回折格子（４１）で回折させることで、複数の干渉縞に相当する複数の光を生成することができ、複数の光によって、空間内の複数の位置までの距離を測定することが可能となる。

第６の態様の距離測定装置（１）では、第５の態様において、回折格子（４１）は、２次元回折格子である。発光部（２）は、回折格子（４１）の格子間隔に相当する間隔でアレイ状に配置された複数の光源（２１）を有する。

この態様によれば、回折格子（４１）で生成される複数の光の強度のばらつきを抑えることが可能となる。

第７の態様の距離測定装置（１）では、第１〜第４のいずれか１つの態様において、光学素子（４）は、測定光（Ｗ１）を拡散させる拡散板である。

この態様によれば、振動付与部（５）が拡散板を振動させることによって、測定光（Ｗ１）の進行方向を変えることが可能となる。

第８の態様の距離測定装置（１）では、第１〜第７のいずれか１つの態様において、光学素子（４）は、測定光（Ｗ１）を透過させる透過型の光学素子である。

この態様によれば、振動付与部（５）が光学素子（４）を振動させることによって、測定光（Ｗ１）の進行方向を変えることが可能となる。

第９の態様の距離測定装置（１）では、第１〜第７のいずれか１つの態様において、光学素子（４）は、測定光（Ｗ１）を反射する反射型の光学素子である。

この態様によれば、振動付与部（５）が光学素子（４）を振動させることによって、測定光（Ｗ１）の進行方向を変えることが可能となる。

第１０の態様の距離測定装置（１）では、第１〜第９のいずれか１つの態様において、振動制御部（１３）は、光路（ＬＰ１）と交差する面内で測定光（Ｗ１）が２次元状に振動するように、振動付与部（５）により光学素子（４）を振動させる。

この態様によれば、測定光（Ｗ１）を２次元状に振動させることが可能となる。

第１１の態様の距離測定装置（１）では、第１〜第１０のいずれか１つの態様において、発光制御部（１１）は、発光部（２）から測定光（Ｗ１）を複数回出力させる。受光制御部（１２）は、複数回出力される測定光（Ｗ１）において、受光部（３）を、発光部（２）からの測定光（Ｗ１）の出力の開始時点からの経過時間が互いに異なるタイミングで露光させる。

この態様によれば、発光部（２）からの測定光（Ｗ１）の出力及び受光部（３）での測定光（Ｗ１）の受光という測定処理を、出力から受光までの時間を変えながら複数回行う。そのため、どの測定処理において測定光（Ｗ１）が受光されたかを判定することで、対象物（２００）までの距離を測定することが可能となる。

第１２の態様の距離測定システム（１００）は、第１〜第１１のいずれか１つの態様の距離測定装置（１）と、発光部（２）と、受光部（３）と、光学素子（４）と、振動付与部（５）と、を備える。

この態様によれば、振動付与部（５）が光学素子（４）を振動させることで、発光部（２）からの測定光（Ｗ１）の出力方向が振動する。そのため、測定光Ｗ１によって対象空間Ｓ１を走査することが可能となる。

第１３の態様の距離測定方法は、発光制御ステップと、受光制御ステップと、振動制御ステップと、距離取得ステップと、を含む。発光制御ステップは、測定光（Ｗ１）を出力する発光部（２）から測定光（Ｗ１）を出力させるタイミングを制御することを含む。受光制御ステップは、対象物（２００）で反射した測定光（Ｗ１）を受光するための複数の画素セル（３０）を有する受光部（３）の動作を制御することを含む。振動制御ステップは、発光部（２）から対象物（２００）までの測定光（Ｗ１）の光路（ＬＰ１）上に配置されている光学素子（４）を振動させる振動付与部（５）の動作を制御することを含む。距離取得ステップは、発光部（２）が測定光（Ｗ１）を出力してから受光部（３）が測定光（Ｗ１）を受光するまでの時間から、対象物（２００）までの距離を求めることを含む。

この態様によれば、振動付与部（５）が光学素子（４）を振動させることで、発光部（２）からの測定光（Ｗ１）の出力方向が振動する。そのため、測定光Ｗ１によって対象空間Ｓ１を走査することが可能となる。

１ 距離測定装置
１１ 発光制御部
１２ 受光制御部
１３ 振動制御部
１４ 距離取得部
２ 発光部
２１ 光源
３ 受光部
３０ 画素セル
４ 光学素子
４１ 回折格子
５ 振動付与部
１００ 距離測定システム
２００ 対象物
ＬＰ１ 光路
Ｓ１ 対象空間
Ｗ１ 測定光

Claims (13)

1. 対象空間に向けて測定光を出力する発光部から前記測定光を出力させるタイミングを制御する発光制御部と、
   前記対象空間に存在する対象物で反射した前記測定光を受光するための複数の画素セルを有する受光部の動作を制御する受光制御部と、
   前記発光部から前記対象物までの前記測定光の光路上に配置されている光学素子を振動させる振動付与部の動作を制御する振動制御部と、
   前記発光部が前記測定光を出力してから前記受光部が前記測定光を受光するまでの時間に基づいて、前記対象物までの距離を求める距離取得部と、
   を備える、
   距離測定装置。
2. 前記発光部は、パルス光を出力するよう構成され、
   前記距離測定装置は、前記パルス光の発光周期が、前記振動付与部が前記光学素子を振動させる振動周期よりも短くなるように、前記発光部及び前記振動付与部を制御する、
   請求項１に記載の距離測定装置。
3. 前記受光制御部は、前記複数の画素セルから画素信号を受け取るよう構成され、
   前記受光制御部は、前記振動周期に応じて振動する前記光学素子の振動位置に応じて、前記複数の画素セルのうちで前記画素信号を出力させる画素セルを変更する、
   請求項２に記載の距離測定装置。
4. 前記受光制御部は、前記複数の画素セルから画素信号を受け取るよう構成され、
   前記受光制御部は、前記振動周期に応じて振動する前記光学素子の振動位置によらず、前記複数の画素セルの全てからそれぞれ画素信号を受け取る、
   請求項２に記載の距離測定装置。
5. 前記光学素子は、回折格子である、
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の距離測定装置。
6. 前記回折格子は２次元回折格子であり、
   前記発光部は、前記回折格子の格子間隔に相当する間隔でアレイ状に配置された複数の光源を有する、
   請求項５に記載の距離測定装置。
7. 前記光学素子は、前記測定光を拡散させる拡散板である、
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の距離測定装置。
8. 前記光学素子は、前記測定光を透過させる透過型の光学素子である、
   請求項１〜７のいずれか１項に記載の距離測定装置。
9. 前記光学素子は、前記測定光を反射する反射型の光学素子である、
   請求項１〜７のいずれか１項に記載の距離測定装置。
10. 前記振動制御部は、前記光路と交差する面内で前記測定光が２次元状に振動するように、前記振動付与部により前記光学素子を振動させる、
    請求項１〜９のいずれか１項に記載の距離測定装置。
11. 前記発光制御部は、前記発光部から前記測定光を複数回出力させ、
    前記受光制御部は、前記複数回出力される前記測定光において、前記受光部を、前記発光部からの前記測定光の出力の開始時点からの経過時間が互いに異なるタイミングで露光させる、
    請求項１〜１０のいずれか１項に記載の距離測定装置。
12. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の距離測定装置と、
    前記発光部と、
    前記受光部と、
    前記光学素子と、
    前記振動付与部と、
    を備える、
    距離測定システム。
13. 測定光を出力する発光部から測定光を出力させるタイミングを制御する発光制御ステップと、
    対象物で反射した前記測定光を受光するための複数の画素セルを有する受光部の動作を制御する受光制御ステップと、
    前記発光部から前記対象物までの前記測定光の光路上に配置されている光学素子を振動させる振動付与部の動作を制御する振動制御ステップと、
    前記発光部が前記測定光を出力してから前記受光部が前記測定光を受光するまでの時間に基づいて、前記対象物までの距離を求める距離取得ステップと、
    を含む、
    距離測定方法。

Images